趙博

課堂教學(xué)設(shè)計可在分析課標(biāo)和研讀教材的基礎(chǔ)上，以如何提升學(xué)生四個具體物理核心素養(yǎng)為教學(xué)設(shè)計思路建立的邏輯起點，明確教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置教學(xué)環(huán)節(jié)，選用教學(xué)素材和擇取教學(xué)方法。本文以人教版選修3-1第三章第6節(jié)“帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動”第一課時為例，以提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)為指向進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。

一、立足經(jīng)典模型分析，強(qiáng)化運動觀念

本課帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場做勻速圓周運動是電磁學(xué)教學(xué)中的經(jīng)典物理模型，也是本課的重點。學(xué)生在必修二的學(xué)習(xí)中已經(jīng)建立起勻速圓周運動的物理觀念，也在之前的學(xué)習(xí)中獲得了分析洛倫茲力大小和方向的基本知識，因此本課中分析帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場的運動情況，實際上是對已有運動觀念的強(qiáng)化和復(fù)習(xí)鞏固，學(xué)生有能力獨立判斷和進(jìn)行相關(guān)推導(dǎo)。教師只需要提出問題，學(xué)生對問題獨立的分析，就能夠達(dá)到強(qiáng)化已有運動觀念的目的。

【教學(xué)片段1】帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中的運動性質(zhì)（兩種特殊情況）

復(fù)習(xí)回顧：如何判斷洛倫茲力的方向？如何計算洛倫茲力的大??？

學(xué)生回答：利用左手定則判斷洛倫茲力方向；洛倫茲力大小需要考慮v與B的方向，兩種比較特殊的情況是，當(dāng)v∥B 時F=0，當(dāng)v⊥B時F=qvB。

提出新問題：根據(jù)帶電粒子的初速度和受力情況（忽略重力），分析以上兩種情況，帶電粒子在磁場中做怎樣的運動？

學(xué)生討論、分析：當(dāng)v∥B時，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速直線運動。當(dāng)v⊥B時，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做圓周運動（勻速圓周運動）。

實驗驗證：介紹洛倫茲力演示儀結(jié)構(gòu)，說明勵磁電流旋鈕和加速電壓旋鈕的作用，分析兩個大線圈接通勵磁電流后在線圈中間電子槍位置產(chǎn)生的磁場的方向。

①不加磁場時，觀察電子的運動軌跡。

②給勵磁線圈通電，使玻璃泡處于垂直線圈平面向內(nèi)的磁場中。觀察電子的運動軌跡。

實驗結(jié)論：帶電粒子在v⊥B時在勻強(qiáng)磁場中做圓周運動。

追問：這種圓周運動是不是勻速圓周運動？利用已學(xué)知識對你的觀點進(jìn)行論證。

引導(dǎo)學(xué)生分別從運動、受力和能量角度論證。

通過理論分析得出結(jié)論：帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動。

二、利用演示實驗論證，參與科學(xué)探究

本節(jié)課中洛倫茲力演示儀的演示實驗可以幫助學(xué)生在抽象、微觀的粒子運動的學(xué)習(xí)中獲得必要的直觀感性認(rèn)識，為學(xué)生的理論推理提供一些實證經(jīng)驗。為了讓學(xué)生在課堂中能獲得更豐富的參與科學(xué)探究的體驗，筆者選擇通過“遇到實際問題—猜想問題成因—實驗驗證猜想—尋找理論依據(jù)”的方式來完成這部分教學(xué)任務(wù)。

【教學(xué)片段2】帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中勻速圓周運動的半徑r與v和B的關(guān)系

實際問題（帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中運動的一項實際應(yīng)用）：在探測粒子衰變等科學(xué)研究中會用到氣泡室來看帶電粒子運動的徑跡。簡介氣泡室顯示粒子徑跡的原理。分析教材插圖（100頁圖3.6-3）單獨看某一粒子的徑跡，并不是圓周運動，粒子曲線運動的曲率半徑在逐漸變小，這可能是什么原因造成的？

學(xué)生思考、討論。有的學(xué)生能給出氣泡室中運動的粒子受阻力動能減小，速度減小，可能使圓周運動半徑變化。

問題猜想：帶電粒子在磁場中勻速圓周運動的半徑可能與哪些因素有關(guān)？（學(xué)生可能認(rèn)為與速度大小、磁感應(yīng)強(qiáng)度、粒子種類有關(guān)）

實驗驗證：在現(xiàn)有洛倫茲力演示儀只能提供電子一種帶電粒子的情況下，學(xué)生根據(jù)自己的猜想小組討論設(shè)計實驗方案，寫出實驗條件、具體操作步驟、要觀察的內(nèi)容。請一組同學(xué)分享自己的實驗設(shè)計方案，其他組補(bǔ)充和完善方案。完成實驗操作。

得到實驗結(jié)論：電子在勻強(qiáng)磁場中的勻速圓周運動（v⊥B），圓周運動半徑r與電子速率v和磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)。B一定時，v越大，r越大；v一定時，B越大，r越小。

尋找理論依據(jù)：能否從理論上尋找r與v、B的關(guān)系。引導(dǎo)學(xué)生從解決勻速圓周運動問題的基本方法角度，分析合力提供向心力，推導(dǎo)r=mv/qB。

驗證猜想：通過實驗和理論兩種方法驗證學(xué)生的猜想，解釋氣泡室這個粒子曲線運動曲率半徑減小的問題。

三、創(chuàng)設(shè)具體問題情境，促進(jìn)科學(xué)思維

本節(jié)課教學(xué)的各個環(huán)節(jié)都是調(diào)動學(xué)生科學(xué)思維的過程，但靈活的建模、推理和解決復(fù)雜問題需要規(guī)范要求的訓(xùn)練和思維流程的熟練，也需要教師提供具體的情境和問題，讓學(xué)生在問題中將抽象的物理模型具體化。在具體問題的解決過程中，學(xué)生的思維得到錘煉，從而能提升學(xué)生綜合、應(yīng)用、推理的能力。

【教學(xué)片段3】帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中勻速圓周運動的應(yīng)用

在實際的研究中，往往比較容易通過氣泡室等儀器獲得粒子運動半徑r的信息，也能夠通過控制得到B的大小，根據(jù)推出的r=mv/qB定量關(guān)系，在已知粒子種類的情況下就可以分析到粒子運動速度v的大小。

應(yīng)用1：圓形區(qū)域內(nèi)有垂直紙面向內(nèi)的勻強(qiáng)磁場，三個質(zhì)量和電荷量都相同的帶電粒子a、b、c，以不同的速率對準(zhǔn)圓心O沿著AO方向射入磁場，其運動軌跡如圖。若帶電粒子只受磁場力的作用，下列說法錯誤的是（ ）

A.三個粒子都帶正電荷

B.c粒子速率最小

C.它們做圓周運動的周期Ta =Tb=Tc

D.c粒子在磁場中運動時間最短

學(xué)生在分析CD兩個選項時，同時完成了T=2πm/qB的推導(dǎo)，并分析周期T與粒子運動速率無關(guān)，為后續(xù)回旋加速器原理的學(xué)習(xí)做鋪墊。

應(yīng)用2：如圖所示，離子從離子源緩慢飄入電壓U的電場加速，再進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，沿半圓周運動而到達(dá)記錄它的照相底片上，測得它在P點的位置到入口處距離為L，則該離子的荷質(zhì)比多大？

學(xué)生解決問題。教師歸納：粒子圓周運動的半徑是可以通過照相底片、氣泡室等方法測量，直接測得半徑r，通過計算可以間接得到不容易直接測量出的粒子的q/m，本課所進(jìn)行的推導(dǎo)在科學(xué)研究中有實際意義。

四、體會人類進(jìn)步歷程，激發(fā)科學(xué)責(zé)任

本節(jié)課中作為知識應(yīng)用的質(zhì)譜儀在地質(zhì)年代測定、同位素失蹤分析等很多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，通過對質(zhì)譜儀相關(guān)應(yīng)用和物理學(xué)史內(nèi)容的介紹，能夠讓學(xué)生感受物理推動科技與時代的進(jìn)步，滲透正確的科學(xué)態(tài)度。質(zhì)譜儀的巧妙設(shè)計也能從一定程度上激發(fā)學(xué)生的科學(xué)責(zé)任感。

【教學(xué)片段4】質(zhì)譜儀對人類進(jìn)步的貢獻(xiàn)

提供質(zhì)譜儀相關(guān)介紹：在應(yīng)用2中通過照相底片測得半徑r，從而間接測出不容易直接測量出的粒子的q/m，這是真實的微觀粒子研究中的質(zhì)譜儀的基本原理。歷史上，阿斯頓用質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了氖20和氖22，證實了同位素的存在，質(zhì)譜儀是測量粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具。其他科學(xué)課程學(xué)習(xí)可以知道，同位素可用于地質(zhì)年代測定，可作為示蹤原子等，它有很廣泛的應(yīng)用，質(zhì)譜儀也因此廣泛應(yīng)用在這些領(lǐng)域。

激發(fā)學(xué)生的科學(xué)責(zé)任：這樣精妙的設(shè)計解決了人類微觀粒子研究中對粒子荷質(zhì)比測量的一些困難，質(zhì)譜儀的設(shè)計和改造將知識轉(zhuǎn)化為技術(shù)推動了人類的進(jìn)步，這其中需要思考、需要嘗試，也需要堅持。希望同學(xué)們也能具有這樣優(yōu)秀的科學(xué)品質(zhì)，有所學(xué)更有所用。

教學(xué)小結(jié)：當(dāng)v∥B時，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速直線運動。當(dāng)v⊥B時，帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運動。

思考問題：v與B既不垂直又不平行時粒子在勻強(qiáng)磁場中將做怎樣的運動？

學(xué)生類比洛倫茲力和安培力大小的學(xué)習(xí)過程，提出將速度分解為平行和垂直磁感應(yīng)強(qiáng)度兩個方向，得到粒子可能螺旋式向前運動。

拓展實驗論證：將洛倫茲力演示儀中真空室旋轉(zhuǎn)一定角，讓學(xué)生觀察電子速度v與勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度B既不垂直又不平行時的軌跡，論證學(xué)生理論分析的正確性。